Depuis l’âge du bronze, il y a des milliers d’années, jusqu’à l’invention du plastique au début des années 1900, la découverte de nouveaux matériaux a permis l’émergence de technologies qui ont transformé notre mode de vie. Alannah Hallas, chercheuse à l’Université de la Colombie-Britannique (en anglais seulement), estime aujourd’hui que les matériaux quantiques révolutionneront à leur tour notre quotidien.
À l’Institut de la matière quantique Stewart-Blusson de l’Université de la Colombie-Britannique, Alannah Hallas a son laboratoire, où une équipe de 15 personnes conçoit et fait croître des cristaux qui n’existent pas dans la nature, en mettant l’accent sur les matériaux présentant de puissants effets de mécanique quantique.
Elle compare ce processus à l’art culinaire. On commence par assembler des ingrédients sélectionnés avec soin : des combinaisons d’éléments chimiques qui, selon la théorie et l’expérience, sont susceptibles de favoriser les comportements quantiques.
Ensuite, on chauffe le tout, ce qui permet aux ingrédients de se mélanger, de réagir et de se transformer en structures cristallines complexes aux propriétés magnétiques et électroniques quantiques puissantes. La chercheuse et ses collègues peuvent alors les caractériser.
Optimiser la croissance des cristaux en temps réel
Le secret de cet art consiste à trouver avec exactitude la proportion de chaque ingrédient, le degré de chaleur ainsi que le temps de « cuisson » appropriés pour obtenir ces propriétés. « On procède par essais et erreurs, explique Alannah Hallas. Chaque nouveau matériau est le fruit d’un travail de plusieurs années. »
Jusqu’à récemment, la difficulté à obtenir un matériau avec les propriétés souhaitées résidait dans l’impossibilité d’observer le processus. En effet, la croissance des cristaux se produisant à des températures extrêmement élevées, les fours de laboratoire conventionnels sont opaques et à haute isolation, et, par conséquent, les réactions se déroulent à l’abri des regards.
Or, grâce à deux nouveaux fours à zone flottante optiques financés par la FCI, le laboratoire a réussi à surmonter cet obstacle : ces fours concentrent la chaleur sur un seul point plutôt que de chauffer toute la chambre. L’environnement autour des fours reste ainsi à une température suffisamment basse pour installer une caméra à proximité, de sorte que l’équipe de recherche peut observer en direct le processus de fusion et de cristallisation et ajuster les paramètres de croissance en temps réel.
À l’heure actuelle, le laboratoire met en service un troisième four qui augmente la pression en plus de la chaleur, le premier en son genre au Canada. Alannah Hallas et son équipe disposeront ainsi d’un autre paramètre, ce qui leur permettra de créer des cristaux dont la formation serait autrement impossible avec la chaleur seule. « Cette technologie élargit considérablement le champ des possibilités », souligne la chercheuse.
Jeter les bases des nouvelles technologies quantiques
Selon Pinder Dosanjh, directeur des installations à l’Institut de la matière quantique Stewart-Blusson, les découvertes scientifiques réalisées par Alannah Hallas ouvrent la voie à des avancées majeures. « Elle crée des matériaux jusqu’ici inconnus. C’est vraiment passionnant, précise-t-il, car sans cet afflux d’idées et de technologies nouvelles, nous ne pourrions pas bâtir l’avenir. »
L’Institut de la matière quantique Stewart-Blusson a été créé en 2010 dans le but de comprendre et de concevoir des matériaux au niveau de la recherche fondamentale. Aujourd’hui, il figure au rang des cinq premiers instituts de recherche sur les matériaux quantiques au monde, et ce, en grande partie grâce au soutien de la FCI, selon Pinder Dosanjh. « On ne peut être concurrentiel à l’échelle internationale si on ne dispose pas de l’équipement adéquat », soutient-il.
L’un des principaux objectifs actuels consiste à convertir ces découvertes en applications industrielles. En effet, les cristaux développés par Alannah Hallas pourraient améliorer considérablement la performance des batteries ou la capacité de stockage des disques durs. Ils pourraient même réaliser des avancées encore plus révolutionnaires.
Tel est le potentiel de la recherche fondamentale sur les matériaux quantiques. « Nous pourrions découvrir ce matériau extraordinaire qui rendrait possibles des technologies que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd’hui », explique la chercheuse.
Le projet de recherche présenté dans cet article est également financé par l’Institut canadien de recherches avancées et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
